Введение к работе
Актуальность темы
Пузырьковое кипение остается одной из наиболее активно исследуемых областей теории теплообмена. Во-первых, это связано с широким спектром приложений (развитие энергетики, аэрокосмической промышленности и других областей техники приводит к необходимости отводить большие тепловые потоки при помощи кипения); во-вторых, строгое математическое описание процесса пузырькового кипения (из-за невозможности описать форму и положение межфазной границы в произвольный момент времени) представляется недостижимым в ближайшей перспективе. В отсутствие общепризнанной теории процесса новые технологии, изменяющие требования к охлаждающим средам или к условиям применения традиционных теплоносителей, обычно стимулируют новые опытные исследования теплообмена при кипении. В последнее десятилетие наблюдается рост интереса к теплообмену двухфазных потоков в каналах малого диаметра. Влияние размера канала на гидродинамику и теплообмен в двухфазных потоках несомненно, поскольку в них существуют внутренние масштабы (размер парового пузырька, диаметр жидкой капли и толщина пленки в дисперсно-кольцевом режиме течения), которые могут стать соизмеримыми с диаметром канала.
Опытные исследования гидродинамики и теплообмена двухфазных сред в мини - и микроканалах сопровождаются появлением новых эмпирических корреляций, в большинстве своем описывающих лишь данные авторов. Это обсуждается в обзорной статье Thome (2004г.); за прошедшие после ее выхода 8 лет ситуация изменилась мало. Процессы переноса в двухфазных потоках настолько сложны, что создание универсальной эмпирической расчетной методики представляется невероятным, поскольку механизмы теплообмена зависят от структуры двухфазного потока, которая может кардинально изменяться с изменением режимных параметров. Непрекращающиеся попытки построить карты режимов течения двухфазных сред заметных успехов не приносят.
В потоках кольцевой структуры для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена существенно знание интенсивности уноса и осаждения капель. Эта информация критична для предсказания кризиса теплообмена в таких потоках. Унос капель с поверхности жидкой пленки и обратный процесс их осаждения существенно усложняют построение моделей течения и тепло - и массопереноса в кольцевых двухфазных потоках. Несмотря на практическую важность процессов обмена массой между парокапельным ядром потока и пристеночной жидкой пленкой и на многолетние опытные и теоретические их исследования, уровень понимания основных механизмов за 40 с лишним лет изменился несильно.
Таким образом, исследования закономерностей двухфазных течений и теплообмена в каналах сохраняют сегодня свою актуальность.
Цели работы:
разработка методики расчета теплообмена в двухфазном потоке при высоких приведенных давлениях, установление границы применимости методики по давлению;
проведение теоретического исследования уноса капель в дисперсно- кольцевом двухфазном потоке;
численное моделирование процесса осаждения капель в дисперсно- кольцевом двухфазном потоке.
Научная новизна
Разработана методика расчета теплообмена в двухфазном потоке при высоких приведенных давлениях. Показано, что теплообмен при кипении в турбулентном потоке жидкости в области высоких приведенных давлений может быть рассчитан с достаточной для приложений точностью с использованием известных уравнений для теплообмена при пузырьковом кипении и однофазной конвекции. Вклад конвективного механизма в суммарный КТО может возрастать с ростом паросодержания при низких тепловых потоках; этот эффект был проанализирован и введен в расчетную методику впервые. Показано, что предлагаемая методика справедлива для приведенных давлений pr = p/pcr ^0,2.
Разработана приближенная модель начала уноса капель в дисперсно- кольцевом двухфазном потоке для случая, когда исходное влагосодержание потока пара в ядре было нулевым, так что процесс уноса капель не мог компенсироваться их осаждением.
Для условий, когда концентрация капель в ядре потока мала и потоком осаждения можно пренебречь, разработана приближенная модель, позволяющая рассчитывать плотность потока массы капель за счет их уноса с поверхности пленки.
Разработана математическая модель кольцевого потока, на основе численного решения которой может быть получено значение скорости осаждения капель из ядра потока на поверхность пленки.
Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается обоснованностью используемых расчетных и вычислительных методик, использованием большого массива экспериментальных данных для сравнения. Полученные результаты по КТО в двухфазных потоках, критической скорости начала уноса капель с поверхности жидкой пленки в дисперсно- кольцевом потоке, интенсивностям уноса и осаждения капель согласуются с экспериментальными данными в широком диапазоне параметров.
Практическая ценность работы
Разработанные методики расчета могут быть использованы при проектировании оборудования холодильной и криогенной техники, теплонасосных установок, использующих кипящий теплоноситель при высоких приведенных давлениях.
Результаты исследования механизмов уноса и осаждения могут рассматриваться в качестве нового подхода в изучении дисперсно-кольцевых течений, который является альтернативой чисто эмпирическим методикам расчета распределения жидкости в двухфазном потоке.
На защиту выносится:
-
-
методика расчета теплообмена при кипении жидкости в каналах применительно к высоким приведенным давлениям с учетом реальной структуры двухфазного потока;
-
приближенная модель начала уноса капель в дисперсно-кольцевом двухфазном потоке для случая, когда исходное влагосодержание потока пара в ядре было нулевым, так что процесс уноса капель не мог компенсироваться их осаждением;
-
простая приближенная модель уноса капель с поверхности пленки, разработанная для условий, когда концентрация капель в ядре потока мала и потоком осаждения можно пренебречь;
-
методика и результаты численного моделирования адиабатного пароводяного потока, в результате которого может быть получено значение скорости осаждения капель на поверхность пленки.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:
на четырнадцатой международной конференции по теплообмену - Вашингтон, США, 2010;
на шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва, 2010;
на международной научной школе «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях» - Москва, 2011;
на восемнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва, 2012;
на национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» - ИТАЭ-80 - Москва, 2012.
Публикации
Основные положения диссертационной работы изложены в [1-7].
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация объемом 110 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Список цитируемых источников составляет 105 наименований.
Похожие диссертации на Исследование механизмов процесса и разработка методов расчета теплообмена двухфазных потоков в каналах
-
